空客官宣：利用鈦合金3D打印技術(shù)引領(lǐng)飛機(jī)制造行業(yè)

3D打印技術(shù)參考注意到，空客公司于近日官宣將采用鈦合金3D打印技術(shù)引領(lǐng)飛機(jī)制造行業(yè)。其指出，未來(lái)客運(yùn)飛機(jī)上的承力和易疲勞部件，將采用增材技術(shù)層層制造出來(lái)，而不是像以前那樣采用減材技術(shù)切割下來(lái)。多年以來(lái)，空客公司為實(shí)現(xiàn)這一目的已經(jīng)進(jìn)行了積極準(zhǔn)備，這一目標(biāo)正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

空客特別提及了基于金屬絲材的定向能量沉積3D打印技術(shù)（w-DED）。該技術(shù)使用多軸機(jī)械臂、鈦絲，以高精度移動(dòng)。能量源以激光、等離子或電子束為主。3D打印過(guò)程中，能量源聚焦到鈦絲上，瞬間將其熔化，并逐層熔合到表面上。

從技術(shù)形式上，它類(lèi)似于焊接，但以3D模型為指導(dǎo)，從“無(wú)到有”地打印出物體，形成所謂的“毛坯”。這個(gè)毛坯看起來(lái)非常接近最終所需的形狀，即“近凈成形”，隨后進(jìn)行減材加工，使其符合零件設(shè)計(jì)的精確尺寸。這種鈦合金增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)的減材制造方法（例如板材加工或鍛造）相比，能夠以更少的材料浪費(fèi)制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。

采用能量沉積工藝

3D打印大型客機(jī)零件

空客指出，雖然金屬3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了大約十年，但采用的主要的工藝類(lèi)型是激光粉末床熔融（LPBF）3D打印技術(shù)，而且所制造得了零件尺寸多為500mm左右的小尺寸零件。

但空客在十年前就暢想要使用3D打印技術(shù)制造整個(gè)機(jī)身，使用LPBF技術(shù)就是再盼20年幾乎也不可能實(shí)現(xiàn)。而能量沉積技術(shù)則不然，它能夠制造大型復(fù)雜零件，已經(jīng)有大量的公開(kāi)展覽和宣傳公布了激光DED技術(shù)在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)中的使用。

空客早期使用LPFB金屬3D打印制造的拼接功能組件

王華明院士送粉DED技術(shù)3D打印的大型框梁結(jié)構(gòu)已在飛機(jī)上獲得應(yīng)用

空客指出，基于絲材的DED技術(shù)使其能夠從打印小型零部件擴(kuò)展到制造長(zhǎng)達(dá)7米的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件。這項(xiàng)新工藝比粉末床3D打印更快，將產(chǎn)量從每小時(shí)數(shù)百克提升至每小時(shí)幾公斤。這一飛躍有望使3D打印技術(shù)在商用飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件的工業(yè)化、大批量生產(chǎn)成為可能。

有助于減少鈦原材料浪費(fèi)

為什么要關(guān)注鈦？鈦金屬因強(qiáng)度高、重量輕以及與現(xiàn)代碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的兼容性（例如耐腐蝕性、相對(duì)膨脹系數(shù)和其他性能）成為飛機(jī)制造的關(guān)鍵材料。但是，鈦合金也是一種高價(jià)值原材料，因此節(jié)約鈦資源至關(guān)重要。

傳統(tǒng)基于鍛造工藝制造鈦合金材料，須進(jìn)行減材加工才能獲得最終零件，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量“廢料”。在飛機(jī)制造行業(yè)，通常會(huì)通過(guò)“買(mǎi)飛比”來(lái)衡量，即采購(gòu)的原材料數(shù)量與飛機(jī)上實(shí)際使用的原材料數(shù)量之比。在傳統(tǒng)工藝中，鈦合金的浪費(fèi)量達(dá)到80%-95%。

空客DED制造的近凈成型大型零件

挪威鈦等離子沉積3D打印鈦合金

采用3D打印技術(shù)，此類(lèi)浪費(fèi)大多從源頭上得到避免。這是因?yàn)榱慵吧L(zhǎng)”成的形狀已經(jīng)非常接近最終設(shè)計(jì)（“近凈成形”），因需要加工去除的材料極大減少。

為飛機(jī)研發(fā)帶來(lái)靈活性

傳統(tǒng)的模鍛工藝需要制造大型復(fù)雜的模具，耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)兩年，且前期需要大量資金投入。相比之下，3D打印零件的形狀由計(jì)算機(jī)程序決定，將交付周期縮短至短短幾周。3D打印技術(shù)的靈活性將直接助力首架研發(fā)飛機(jī)的成功和及時(shí)建造，尤其是在最終詳細(xì)部件設(shè)計(jì)還需要調(diào)整和優(yōu)化的階段。

在此方面，我國(guó)C919大飛機(jī)的研制提供了一個(gè)典型案例。王華明院士曾在2022年的《院士開(kāi)講》等欄目中透露，C919機(jī)頭主風(fēng)擋窗框也是3D打印的。這個(gè)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸很大。但是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的飛機(jī)制造廠用傳統(tǒng)方法無(wú)法做出，只有歐洲一家公司能做出來(lái)，但要花2年、200萬(wàn)美元才能制造，這個(gè)代價(jià)可以說(shuō)是相當(dāng)昂貴的。如果依賴(lài)這家歐洲公司，就會(huì)導(dǎo)致C919成本急劇上升，性?xún)r(jià)比和競(jìng)爭(zhēng)力無(wú)法與空客和波音相比。而且，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的研發(fā)進(jìn)度緊迫，無(wú)法耗費(fèi)兩年時(shí)間等待一個(gè)窗框。

2009年，王華明院士和他的科研團(tuán)隊(duì)在接到任務(wù)后，僅耗時(shí)55天就完成了窗框的設(shè)計(jì)，完全符合原始圖紙，順利保障了我國(guó)大飛機(jī)的研發(fā)進(jìn)程；同時(shí)，其總費(fèi)用甚至不到200萬(wàn)元人民幣，極大節(jié)約了研制成本！

空客A350生產(chǎn)的首次驗(yàn)證

空客近期已開(kāi)始將大尺寸的DED 3D打印部件批量集成到A350的貨艙門(mén)周?chē)鷧^(qū)域。這些用于探索階段的專(zhuān)用部件采用等離子金屬絲材DED技術(shù)進(jìn)行3D打印，經(jīng)超聲波檢測(cè)，最終在空客工廠完成加工和安裝。

DED首批下框架交付

這些部件在功能和幾何形狀上與它們所替代的傳統(tǒng)鍛造部件完全相同，但卻能立即帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的成本節(jié)約。

空客的下一個(gè)目標(biāo)是從A350 DED 3D打印部件入手，逐步將其推廣到其他項(xiàng)目和其他飛機(jī)（包括長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看的機(jī)翼和起落架）更關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。

起飛過(guò)程起落架工作情況

重要的是，這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“面向分布式能源設(shè)計(jì) (DED)”的概念。工程師們不再需要將復(fù)雜的組件設(shè)計(jì)成多個(gè)獨(dú)立部件，然后再將它們組裝在一起，而是可以將其設(shè)計(jì)成一個(gè)單一、精細(xì)且優(yōu)化的組件，并一次性打印完成。這種將多個(gè)組件合并為一個(gè)的優(yōu)勢(shì)將簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈，減少組裝人工，縮短生產(chǎn)周期，并充分釋放下一代3D打印客機(jī)的潛力。

空客未來(lái)飛機(jī)概念設(shè)計(jì)

如今，空客及其合作伙伴正積極推進(jìn)關(guān)鍵部件的定向能量沉積技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，并取得了令人矚目的成果。工程師們正在測(cè)試各種能源，包括等離子體、電弧焊、電子束和激光束，同時(shí)評(píng)估“外購(gòu)”（外包打印）和“自制”（內(nèi)部完成）兩種策略。此外，由于這項(xiàng)技術(shù)以空客集團(tuán)層面的統(tǒng)籌方式進(jìn)行管理，最終成果將成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在整個(gè)公司范圍內(nèi)得到應(yīng)用。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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